Самодельная «баночная» антенна на 2.4 ГГц

Легенда гласит, что направленную Wi-Fi антенну можно сделать из разъема Type-N и металлической банки, например, от кофе или консервированных ананасов. В народе такая антенна называется «баночной» антенной или cantenna. В сети доступно больше одной статьи об ее изготовлении. Но обычно авторы не удосуживаются измерить входное сопротивление антенны, а также ее усиление и поляризацию. Попробуем разобраться, насколько хороша или плоха данная антенна на самом деле.

Схематичное изображение антенны в разрезе:

Иллюстрация позаимствована со страницы онлайн-калькулятора на сайте changpuak.ch. Самим калькулятором мы пользоваться не будем. Ввод цифр в онлайн-калькуляторах не приводит к приобретению новых знаний. Лучше попытаемся понять принцип работы антенны, а также что означают L и Lg на приведенной картинке.

Более строго антенна называется излучатель в виде круглого открытого волновода. Также встречаются сокращенные названия вроде «открытый волновод» или «волноводный излучатель». Волновод – это линия передачи в форме трубы из проводящего материала. Поперечное сечение волновода представляет собой круг, прямоугольник или иную замкнутую фигуру.

Энергия в волноводе может передаваться при помощи разных видов колебаний. Говорят, что волновод работает в заданной «моде». У мод есть преимущества, недостатки и области применения. Не вдаваясь во все подробности, сейчас нас интересует исключительно мода H₁₁. Это основная мода для круглого волновода. Она примечательна тем, что обладает наибольшей критической длиной волны.

Критическая длина волны (cutoff wavelength) – это максимальная длина волны в вакууме, которая еще может распространяться в волноводе. Для круглого волновода диаметра D она вычисляется по формуле 1.706 * D. Произвольным образом выберем диаметр волновода равным 80 мм. В этом случае критическая длина волны составляет 136.5 мм. Сравним ее с длиной волны в вакууме для частоты 2.4 ГГц:

Получили 124.9 мм, что меньше 136.5 мм. Делаем вывод, что волновод пригоден для заданной частоты.

На минимальную длину волны теоретически ограничения нет. Однако с практической точки зрения для круглого волновода она ограничена значением 1.306 * D. Передача сигнала с меньшей длиной волны приведет к работе волновода в многомодовом режиме (одновременно H₁₁ и E₀₁). Одновременное использование нескольких мод сопряжено с непредсказуемыми затуханиями электромагнитной энергии в волноводе.

Длина волны в волноводе всегда больше длины волны в вакууме. Ее можно вычислить по формуле Lg = L / sqrt(1 - pow(L/Lc, 2)), где L – это длина волны в вакууме, а Lc – критическая длина волны для заданного волновода. Посчитаем:

Таким образом, длина волны в волноводе на 2.45 ГГц составляет ~276 мм.

Энергия инжектируется в волновод при помощи обычного λ/4 вертикала. Осталось понять, почему слева до закрытой части волновода у нас Lg/4, а справа до открытой части – Lg/2. Идея, как я ее понимаю, состоит в следующем. Волновод является линией передачи. Соответственно, слева у нас четвертьволновой трансформатор, нагруженный на КЗ, а справа – полуволновой повторитель. С перспективы ветикала, волновод открыт с обеих сторон. Этим минимизируется влияние на работу вертикала.

Теперь мы знаем все необходимое для конструирования баночной антенны. Антенна была спроектирована в OpenSCAD и напечатана на 3D-принтере. Она состоит из четырех частей:

Изнутри детали обклеивается алюминиевым скотчем. Ширина ленты должна составлять ≥ 10 см. Затем части собираются воедино при помощи винтов, гаек и вплавляемых втулок M3. Модель устроена так, что в собранном состоянии между всеми частями имеется надежный электрический контакт.

Собранная антенна:

Исходники и файлы STL доступны в этом архиве.

Входное сопротивление антенны было измерено при помощи ARINST VNA-PR1. Согласование с 50 Ом оставляет желать лучшего. КСВ на интервале 2.4-2.5 ГГц меняется где-то от 1.7 до 2.9:

Антенну можно подстроить, немного укоротив / удлинив вертикал или слегка его подогнув, однако картину это особо не меняет. В качестве эксперимента я сделал альтернативную модель с регулируемым положением вертикала в волноводе. Улучшить согласование за счет лишней степени свободы не вышло.

Для оценки усиления и поляризации антенны в соседней комнате был размещен передатчик в виде генератора MAX2870 с телескопической антеннкой. Прием осуществлялся на HackRF и QSpectrumAnalyzer. Сначала определялся уровень сигнала при приеме на «эталонный» диполь. Затем диполь заменялся на измеряемую антенну. Вращением антенны можно определить поляризацию. Если она круговая, то для учета поляризационных потерь нужно прибавить к усилению 3 dB.

На эталонный диполь видим уровень сигнала -28 dB, а на баночную антенну – уровень -24 dB. Получается, что усиление составляет 4 dBd или 6.15 dBi. При повороте антенны на 90° видим практически то же усиление, что и в исходном положении. Это свойство круговой поляризации. Итого, измеренное усиление антенны составило около 9 dBi.

Бывалые конструкторы антенн возразят: разве мы не должны получить линейную поляризацию? В теории, должны. Однако для колебаний H₁₁ поляризация электромагнитной волны нестабильна. Из-за неравномерности волновода поляризация может меняться. А неравномерностей в нашем волноводе хоть отбавляй. Более того, поляризация может меняться со временем, например, в зависимости от температуры. По этой причине чаще всего используют прямоугольные волноводы, лишенные данного недостатка.

Спиральная антенна при меньших размерах имеет большее усиление, хорошо согласована и обладает понятной поляризацией. В силу названных обстоятельств, баночная антенна непрактична. Можно рекомендовать ее в качестве наглядного эксперимента с волноводами, но не более того.